感测技术与系统设计PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 感测技术及仪器仪表的地位与作用 1

1.1.1 仪器仪表的地位与作用 1

目录 1

1.1.2 感测技术是仪器仪表的技术基础 2

1.2 测量方法及分类 4

1.2.1 直接测量和间接测量 4

1.2.2 偏差式测量、零位式测量及微差式测量 4

1.3 信息、信号与系统 6

1.3.1 信息与信号 6

1.3.3 信号特征对系统的基本要求 7

1.3.2 信号的分类 7

1.4 传感器概述 9

1.4.1 传感器的基本概念 9

1.4.2 传感器的分类和命名法 11

1.5 检测系统概述 13

1.5.1 非电量电测系统的基本组成 13

1.5.2 常见的检测系统的基本类型 14

1.5.3 新型仪器仪表的发展趋势 17

第2章 检测系统的基本特性 20

2.1 检测系统的静态特性及指标 20

2.1.1 检测系统的静态特性 20

2.1.2 检测系统的静态性能指标 21

2.2 检测系统的动态特性及指标 26

2.2.1 线性检测系统的传递函数 27

2.2.2 检测系统的动态性能指标 28

2.2.3 无失真检测条件 29

2.3 常见检测系统的动态特性 31

2.3.1 零阶系统 31

2.3.2 一阶系统 32

2.3.3 二阶系统 34

2.4 标定与校准 38

2.4.1 静态校准 38

2.4.2 动态校准 39

第3章 误差分析与处理基础 40

3.1 误差的概念与分类 40

3.1.1 测量误差的概念及表达方式 40

3.1.2 测量误差的主要来源 41

3.1.3 测量误差的分类 42

3.2 检测系统的静态误差和动态误差 44

3.2.1 检测系统的静态误差 44

3.2.2 检测系统的动态误差 49

3.3 系统误差的检查与消除 52

3.3.1 系统误差的检查 52

3.3.2 系统误差的消除 53

3.4 粗差的判别与坏值的舍弃 59

3.4.1 莱特准则 60

3.4.2 格拉布斯准则 60

3.5 随机误差的处理 61

3.5.1 随机误差的特性与概率分布 61

3.5.2 随机误差的统计特征 63

3.5.3 用有限次测量数据值估计测量值的数学期望与方差 65

3.5.4 测量结果的置信度与表示方法 70

3.6 误差的合成与分配 73

3.6.1 系统误差的合成 73

3.6.2 随机误差的合成 74

3.6.3 误差分配 77

3.6.4 最佳方案的选择 78

第4章 无源传感器及接口电路 82

4.1 电阻式传感器及接口电路 82

4.1.1 电位器式传感器 82

4.1.2 应变式传感器和压阻式传感器 85

4.1.3 热电阻和热敏电阻 94

4.1.4 气敏电阻 100

4.1.5 湿敏电阻 103

4.1.6 磁敏电阻 107

4.1.7 电阻式传感器接口电路 109

4.1.8 电阻式传感器电桥电路 114

4.2.1 电容式传感器工作原理 121

4.2 电容式传感器及接口电路 121

4.2.2 电容式传感器接口电路 126

4.3 电感式传感器及接口电路 136

4.3.1 自感式传感器及接口电路 136

4.3.2 互感式传感器（差动变压器）及接口电路 146

4.3.3 压磁式传感器及接口电路 151

4.3.4 电涡流式传感器及接口电路 154

第5章 有源传感器及接口电路 163

5.1 磁电式传感器及接口电路 163

5.1.1 磁电式传感器工作原理 163

5.1.2 磁电式传感器接口电路 164

5.2.1 压电效应及其表达式 166

5.2 压电式传感器及接口电路 166

5.2.2 压电材料 169

5.2.3 压电元件 172

5.2.4 接口电路 175

5.3 热电偶传感器及接口电路 179

5.3.1 热电效应 179

5.3.2 热电偶测温 183

5.3.3 热电偶的结构型式 189

5.3.4 标准化热电偶 191

5.3.5 热电偶专用集成电路 193

5.4 光电式传感器及接口电路 197

5.4.1 光电器件 198

5.4.2 光电器件的基本特性 202

5.4.3 光电式传感器的基本组成和类型 208

5.4.4 常用光电转换电路 210

5.5 霍尔传感器及接口电路 212

5.5.1 霍尔传感器的工作原理 212

5.5.2 霍尔传感器接口电路 218

5.5.3 测量误差及其补偿电路 220

6.1 半导体管传感器 225

6.1.1 磁敏管 225

第6章 半导体传感器 225

6.1.2 热敏管 230

6.1.3 气敏管 231

6.1.4 湿敏管 233

6.2 半导体集成传感器 235

6.2.1 集成霍尔传感器 235

6.2.2 集成温度传感器 236

6.2.3 集成湿度传感器 244

6.2.4 集成压力传感器 245

6.2.5 集成加速度传感器 247

7.1 编码器 249

7.1.1 直接编码器 249

第7章 数字式传感器 249

7.1.2 增量编码器 253

7.2 光栅与磁栅 255

7.2.1 光栅 255

7.2.2 磁栅 260

7.3 感应同步器 265

7.3.1 感应同步器的类型和结构 265

7.3.2 感应同步器的工作原理 267

7.4 频率式传感器 272

7.4.1 振弦式传感器 272

7.4.2 振筒式传感器 278

7.4.3 振膜式和振梁式传感器 280

7.4.4 石英晶体谐振式传感器 281

第8章 新型传感器 283

8.1 光纤传感器 283

8.1.1 光导纤维的结构和传光原理 283

8.1.2 光纤传感器的基本原理和类型 286

8.1.3 光纤图像传感器 288

8.2 CCD图像传感器 289

8.2.1 CCD的工作原理 289

8.2.2 CCD图像传感器的结构 292

8.3 激光与红外传感器 293

8.3.1 激光传感器 293

8.3.2 红外传感器 296

8.4.1 超声波传感器 299

8.4 波式传感器 299

8.4.2 声表面波传感器 301

8.4.3 微波传感器 302

8.5 核辐射传感器 303

8.5.1 核辐射检测的物理基础 303

8.5.2 核辐射传感器 305

8.6 Z元件简介 307

8.7.1 社会发展对传感器需求的新动向 308

8.7.2 传感器的发展趋势 308

8.7 传感器发展的新趋向 308

第9章 几何量电测法 310

9.1 位移的电测法 310

9.1.1 采用结构型传感器 310

9.1.2 采用物性型传感器 310

9.1.3 采用电平衡式闭环传感器 314

9.1.4 各类位移传感器的性能比较 316

9.2 倾角电测法 318

9.2.1 摆锤式 318

9.2.2 液体摆式 319

9.2.3 气体摆式 320

9.3.1 电感式与电涡流式 321

9.3 厚度电测法 321

9.3.2 电容式 322

9.3.3 核辐射式和超声波式 323

9.3.4 霍尔式 325

9.3.5 微波式 326

9.3.6 各类测长、测厚传感器比较 327

9.4 物（液）位电测法 329

9.4.1 超声波法 329

9.4.2 浮力法 331

9.4.3 差压法 332

9.4.4 电容法 333

9.4.5 光纤法 334

9.4.6 微波法 335

9.4.7 各类物位传感器比较 336

第10章 机械量电测法 338

10.1 转动的电测法 338

10.1.1 模拟方式测转速 338

10.1.2 同步方式测转速 341

10.1.3 计数方式测转速 342

10.1.4 转向与转数的测量 349

10.2 振动的电测法 351

10.2.1 相对振动传感器与绝对振动传感器 351

10.2.2 绝对振动电测法 354

10.2.3 振动加速度传感器实例 358

10.2.4 振动加速度电测系统分析 361

10.2.5 各类加速度传感器比较 365

10.3 声的电测法 365

10.3.1 电阻变换式 365

10.3.2 压电式 366

10.3.3 电容式 367

10.3.4 动圈式 368

10.3.5 驻极体式 368

10.4 速度的电测法 369

10.4.1 计时法测速 369

10.4.2 多普勒效应测速 370

10.4.3 相关法测速 372

10.5 力与荷重的电测法 374

10.5.1 力敏感器 374

10.5.2 力的间接电测法 376

10.5.3 荷重传感器与电子秤 378

10.5.4 各类力传感器比较 380

10.6 转矩的电测法 380

10.6.1 传递法（扭轴法） 380

10.6.2 平衡力法 385

10.6.3 能量转换法 386

11.1.1 压力的概念、单位和测量方法 388

11.1 压力与差压电测法 388

第11章 热工量电测法 388

11.1.2 压力敏感器 390

11.1.3 压力电测法 392

11.1.4 差压电测法 397

11.1.5 各类压力传感器比较 399

11.2 温度的电测法 400

11.2.1 温度的概念、单位和测量方法 400

11.2.2 接触式测温法 401

11.2.3 非接触式测温法 402

11.2.4 光导纤维测温法 405

11.2.5 各类测温传感器比较 407

11.3 流量的电测法 408

11.3.1 流量的概念 408

11.3.2 流量-转速转换法 409

11.3.3 流量-差压、力、位移转换法 411

11.3.4 流量-频率转换法 414

11.3.5 流量-温度转换法 415

11.3.6 非接触式流量电测法 417

第12章 成分与含量的电测法 422

12.1 水分和湿度的电测法 422

12.1.1 水分和湿度的定义及表示方法 422

12.1.2 固体水分电测法 422

12.1.3 气体湿度电测法 424

12.2 密度和浓度电测法 426

12.2.1 密度电测法 426

12.2.2 浓度电测法 428

12.3 气体分析与检测 430

12.3.1 气体分析 430

12.3.2 家用气体检测器 435

第13章 模拟测量电路 437

13.1 放大电路 437

13.1.1 比例放大器 437

13.1.2 电桥放大器 439

13.1.3 测量放大器（仪用放大器） 441

13.1.4 低漂移放大器 446

13.1.5 隔离放大器 449

13.1.6 数控增益放大器 453

13.2 滤波电路 456

13.2.1 滤波器的分类 456

13.2.2 二阶有源RC滤波器 459

13.2.3 通用有源RC滤波器 464

13.2.4 高阶有源RC滤波器 468

13.2.5 开关电容和数控滤波器 471

13.2.6 压控滤波器 478

13.3.1 加减运算电路 480

13.3 模拟运算电路 480

13.3.2 对数、指数运算电路 481

13.3.3 模拟乘法器及其应用 486

13.3.4 积分和微分运算电路 493

13.3.5 常用特征值运算电路 497

13.3.6 函数和反函数运算电路 502

13.4 调制与解调电路 507

13.4.1 调制和解调的基本概念 507

13.4.2 调幅及其解调 507

13.4.3 调相及其解调 518

13.4.4 调频及其解调 520

13.4.5 脉冲调制及其解调 525

13.5 信号变换电路 527

13.5.1 电压与电流的相互转换 527

13.5.2 电压与频率的相互转换 533

13.5.3 比较器和整形器 540

第14章 数字测量电路 550

14.1 模拟多路开关 550

14.2 采样／保持器 551

14.2.1 采样／保持器的等效电路和主要参数 551

14.2.2 采样／保持器的基本类型 553

14.3 数／模转换器 557

14.3.1 并行式数／模转换器 557

14.3.2 集成式数／模转换器 558

14.3.3 数／模转换器的输出接法 562

14.3.4 数／模转换器的应用举例 565

14.4 模／数转换器 570

14.4.1 常用的集成模／数转换器 571

14.4.2 模／数转换器的输入接法 578

14.4.3 新型（∑-△）模／数转换器 580

14.5 电子计数器及其应用 585

14.5.1 电子计数器的基本原理和工作方式 585

14.5.2 频率的数字测量 587

14.5.3 时间的数字测量 589

14.5.4 相位差的数字测量 591

第15章 显示、记录与报警装置 595

15.1 模拟显示装置 595

15.1.1 示波器显示 595

15.1.2 指针式显示 604

15.2 模拟记录装置 606

15.2.1 磁电系笔式模拟记录仪 607

15.2.2 磁电系感光式模拟记录仪（光线示波器） 609

15.2.3 自动平衡式显示与记录仪表 610

15.3 数字显示器 613

15.3.1 LED显示器 613

15.3.2 LCD显示器 617

15.4 波形存储式记录仪 619

15.5 声光报警装置 621

15.5.1 报警用声光器件 621

15.5.2 声光报警集成组件 621

15.5.3 集成闪光驱动器LM3914 623

第16章 普通模拟式检测仪表设计及实例 626

16.1 动圈式显示仪表的基本组成 626

16.2 “表头”电路与刻度 627

16.2.1 “表头”电路的设计 627

16.2.2 “表头”的刻度 628

16.3.1 开环式模拟非线性校正及实例 630

16.3 模拟非线性校正及实例 630

16.3.2 闭环式模拟非线性校正及实例 636

16.4 调零、调满度与量程切换 640

16.4.1 常见的调零电路 641

16.4.2 常见的调满度电路 643

16.4.3 常见的量程切换电路 645

16.5 环境及温度误差校正 646

16.5.1 环境及温度因素对测量的影响 646

16.5.2 环境及温度误差的硬件校正法 648

16.6 动圈式检测仪表设计实例 650

16.6.1 谷物温度测量仪 650

16.6.2 压磁式测力仪 652

16.6.3 微振动测试仪 653

17.1 普通数字式检测仪表的组成方案 655

第17章 普通数字式检测仪表设计及实例 655

17.2 数字表头的电路设计 656

17.2.1 模数转换式表头电路设计 656

17.2.2 脉冲计数式表头电路设计 660

17.3 数字式检测仪表的标度变换 663

17.3.1 模数转换式仪表的标度变换 664

17.3.2 脉冲计数式仪表的标度变换 666

17.4 数字式检测仪表的零点调整与量程切换 672

17.4.1 数字式检测仪表的零点调整 672

17.4.2 数字式检测仪表的量程切换 673

17.5.1 数字式仪表非线性校正原理 679

17.5 数字式检测仪表的非线性校正 679

17.5.2 数字式仪表非线性校正实例 680

17.6 数字式检测仪表设计实例 683

17.6.1 数字式转速测量仪设计 683

17.6.2 数字式扭矩测量仪设计 686

第18章 微机化检测系统设计及实例 692

18.1 主机和人-机接口 692

18.1.1 基于单片机的主机电路 692

18.1.2 显示器接口 696

18.1.3 键盘原理与接口 702

18.2.1 测量通道的基本类型与组成结构 706

18.2 测量通道总体设计 706

18.2.2 传感器的选用 708

18.2.3 调理电路的参数设计和选择 712

18.2.4 采集电路的参数设计和选择 719

18.2.5 测量通道的误差分配与估算 726

18.3 测量通道与微机的接口 731

18.3.1 ADC与微机接口 731

18.3.2 VFC与微机接口 734

18.4 量程自动切换与超限自动报警 735

18.4.1 量程自动切换 735

18.4.2 超限自动报警 739

18.5.1 线性测量通道的标度变换 740

18.5 标度变换 740

18.5.2 非线性测量通道的标度变换 742

18.6 非线性校正软件算法 742

18.6.1 查表法 743

18.6.2 插值法 743

18.6.3 拟合法 747

18.7 温度误差的软件校正法 750

18.8 软件结构及实例 752

18.8.1 软件结构 752

18.8.2 实例——智能定量称量电子秤 753

参考文献 757